交流输入电压、电流监测电路设计

　　引言

　　电子设备只有在额定电压、电流下才能长期稳定工作，因此需要设计相应的监测、保护电路，防止外部输入电压或者负载出现异常时造成设备损毁。工频交流电压、电流的大小，通常是利用它的有效值来度量的。有效值的常用测量方法是先进行整流滤波，得出信号的平均值，然后再采用测量直流信号的方法来检测，最后折算成有效值。但是由于供电主回路中存在大量的非线性电力、电子设备，如变压器、变频器、电机、UPS、开关电源等，这些设备工作时会产生谐波等干扰。大型电动设备启动、负载突然变化、局部短路、雷电等异常情况出现时，供电主回路中会出现浪涌。当这些情况发生时，供电线路上已不是理想的正弦波，采用平均值测量电路将会产生明显的测量误差。利用真有效值数字测量电路，可以准确、实时地测量各种波形的电压、电流有效值。下面介绍的监测电路安装于配电箱中，与外围保护电路一起实现对电子设备保护的功能。

　　真有效值数字测量的基本原理

　　电流和电压的有效值采集电路原理基本相同，下面以电压真有效值为例进行原理分析。所谓真有效值亦称真均方根值(TRMS)。众所周知，交流电压有效值是按下式定义的：

　　分析式(1)可知，电路对输入电压u进行“平方→取平均值→开平方”运算，就能获得交流电压的有效值。因这是由有效值定义式求出的，故称之为真有效值。

　　若将式(1)两边平方，且令，还可以得到真有效值另一表达式U_RMS=

　　式(3)中，Avg表示取平均值。这表明，对u依次进行“取绝对值→平方/除法→取平均值”运算，也能得到交流电压有效值。式(3)比式(2)更具有实用价值。由于同时完成两步计算，与分步运算相比，运算器的动态范围大为减小，既便于设计电路，又保证了准确度指标。美国模拟器件公司(ADI)的AD536、AD637、AD737系列单片真有效值/直流转换器，即采用此原理设计而成。

　　而凌力尔特公司的单片真有效值/直流转换器LT1966、LT1967、LT1968在RMS-DC的转换过程中采用一个∆∑调制器作除法器，一个简单的极性开关作乘法器。相比采用对数/反对数电路的产品，号称有更好的线性度，增益受温度影响更小。

　　另一方面，在计算机采集系统中U(t)是离散值，可以采用下面的公式计算 ：

　　U(i)为各瞬时采用值，i=1，2，…，n;n为采用次数。

　　交流电压采样电路设计

　　图1为简易平均值-有效值测量电路原理图，平均值电路由变压器T、整流桥BR、电容器C和电阻RL组成，虚线部分将平均值折算为有效值输出。

　　用图1所示平均值电路进行测量，存在如下问题：

　　变压器和整流桥是非线性器件，因此必定会产生非线性误差，难以精确补偿;

　　整流桥BR后为得到稳定、平直的DC波形需要较大容值的电容器C，电容充放电时间长，因此响应速度慢;

　　由于电容器C容值不可能无限大，在电容C两端测量到的必然是直流脉动波形。